[发明专利]机械合金化辅助固液固法制备自分散硅纳米线粉体

说明书

技术领域

本发明机械合金化辅助固液固法制备自分散硅纳米线粉体的方法，属于纳米半导体制备领域，具体而言是利用Si粉和Ni粉为原料，采用机械合金化辅助固液固法制备自分散硅纳米线粉体的技术方案。

背景技术

目前硅纳米线成熟的制备方法有激光烧蚀法、化学气相沉积法、热蒸发法、溶液法、模板法和硅衬底直接生长法等，其生长机制包括气-液-固、氧化物辅助及固-液-固生长机制。以上方法制备的硅纳米线均为单向阵列生长，在后期处理中易于缠绕和团聚，且生长工艺条件苛刻，这些问题都使得通过外混或原位生长硅纳米线几乎难以实现，从而限制了其在复合材料中的进一步研究应用。如果能有效改变硅纳米线的形态及分布方式并使其在后期成型过程中得以保存下来，则可成功制备纳米线复合基体材料。

微纳复合材料作为一种新型复合材料，具有明显的非均匀性和各向异性性质，其在力学性能、物理性能和化学性能等方面都将明显优于单一基体材料，具有增韧增强性能、强度大、模量高以及阻隔性能等。此外，基于硅纳米线具有明显的量子尺寸效应和表面散射效应，微纳复合材料还将会大幅度提升基体材料的热电性能。因此，微纳复合材料对于促进功能材料的合成制备具有指导意义，对于高性能热电材料的开发具有重要科学意义和应用价值。利用机械合金化辅助固液固法制备自分散硅纳米线粉体，该粉体自分散特征可为后期制备具有微纳复合材料提供前驱粉体，为纳米复合功能材料的产业化发展开辟了新的途径。

发明内容

本发明机械合金化辅助固液固法制备自分散硅纳米线粉体的方法目的在于：解决传统工艺中硅纳米线易缠绕、团聚和难以均匀分散的问题，从而公开一种采用机械合金化辅助固液固法制备自分散硅纳米线粉体的技术方案，该方法简化了生产工艺条件，有效克服了传统工艺中硅纳米线存在的问题。

本发明机械合金化辅助固液固法制备自分散硅纳米线粉体的方法，其特征在于利用Si粉和Ni粉为原料，采用机械合金化辅助固液固法制备了具有自分散特征的硅纳米线粉体的方法，该方法是先将纯度≥99.5%，颗粒度≤74μm的Si粉原材料置于行星式高能球磨机中进行球磨，球磨后得到Si粉的粒径≤50nm，将球磨后Si粉和纯度≥99.99%，颗粒度≤40nm 的Ni粉原材料按一定配比混合后进行机械合金化， Si、Ni粉体在球磨过程中通过剧烈碰撞、焊合和断裂过程进行储能实现界面合金化，使Ni易于受外力作用发生变形而包敷在Si颗粒表面，形成Ni包Si的特殊结构；再将混合粉体放置于真空管式炉中加热，经固液固过程形成以Ni核为中心呈径向生长的硅纳米线粉体，具体反应步骤：

1）先称取Si粉置于聚四氟乙烯磨罐中，并在行星式球磨机中进行球磨，球磨时间为4h，球料比为4:1；再称取球磨后Si粉和Ni粉置于聚四氟乙烯磨罐，并在行星式球磨机中进行机械合金化，获得Ni包Si结构的粉体1； 

2）将粉体1放入陶瓷管2，再放入石英管3，并一同都放入真空管式炉4中；然后将Ar气瓶5和含5%H₂的Ar气瓶6分别与三通活塞7相连接；最后将三通活塞7与进气阀8、石英管3、排气阀9和植物油10依次用导管连接（如图1所示）；

3）向整个连接装置通入载流气体Ar进行清洗5-10min；

4）管式炉升温阶段，将Ar气流量调小至20ml/min，反应时间为3h；当加热至950℃，关闭Ar气瓶5，打开含5%H₂的Ar瓶6，流量为60ml/min，保温60min；降温阶段，关闭含5%H₂的Ar气瓶6，打开Ar气瓶5，产物自然冷却至室温。

本发明机械合金化辅助固液固法制备自分散硅纳米线粉体的方法具有的有益效果是：采用传统工艺制备的单向阵列硅纳米线在复合材料基体中存在易缠绕、团聚和难以均匀分散等问题，限制了其在复合材料中的进一步广泛应用，而本发明制备的自分散硅纳米线粉体（如图2所示）可在后期处理中有效克服上述存在的问题。采用该粉体制备的块体复合材料断口处可清晰观察到离散分布于基体中的硅纳米线头和纳米片层结构（如图3所示），成功实现了纳米线在块体复合材料中的均匀分布。

附图说明

图1制备自分散硅纳米线的装置，图中

1-Ni包Si结构的粉体 2-陶瓷管 3-石英管 4-真空管式炉 5-氩气瓶 6-含5%H₂的Ar气瓶7-三通活塞 8-进气阀 9-排气阀 10-植物油

图2 利用机械合金化辅助固液固法制备自分散硅纳米线粉体的形貌